PHM中的設(shè)備健康度評(píng)估研究

吳迅 齊艷

摘 要：故障預(yù)測(cè)與健康管理（Prognostics and Health Management，PHM）是一種新型的維修與管理方式，它通過感知并充分使用狀態(tài)監(jiān)測(cè)與監(jiān)控信息，對(duì)設(shè)備的工作狀態(tài)、可靠性、壽命和故障進(jìn)行預(yù)測(cè)，融合維修、使用和環(huán)境信息，結(jié)合規(guī)范的設(shè)備管理方法和業(yè)務(wù)流程，對(duì)維修活動(dòng)進(jìn)行科學(xué)規(guī)劃和合理優(yōu)化，對(duì)影響設(shè)備健康度和剩余壽命的技術(shù)、管理和人為因素進(jìn)行全過程控制。

關(guān)鍵詞：PHM;健康度;故障預(yù)測(cè)

引言

PHM重要基礎(chǔ)是設(shè)備管理、基于狀態(tài)的維修（CBM）、故障預(yù)測(cè)與健康度評(píng)估。本方案將重點(diǎn)研究設(shè)備健康度評(píng)估。健康度評(píng)估是所有PHM系統(tǒng)的重要組成部份，如果一個(gè)系統(tǒng)不具備健康度評(píng)估的功能，它就不能算是真正意義上的PHM系統(tǒng)，通過對(duì)設(shè)備健康度評(píng)估技術(shù)的研究，促進(jìn)設(shè)備精確化維修的實(shí)現(xiàn)，為維修決策提供科學(xué)的手段和方法，還可以為落實(shí)設(shè)備故障預(yù)測(cè)與健康管理機(jī)制提供重要的決策依據(jù)。

1? 設(shè)備健康度評(píng)估的基本概念

設(shè)備健康度評(píng)估主要是根據(jù)設(shè)備的各特征參數(shù)，結(jié)合當(dāng)前數(shù)據(jù)與歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，綜合考慮設(shè)備的使用、環(huán)境、維修等因素的影響，利用各種評(píng)估算法對(duì)裝備的健康度進(jìn)行評(píng)估，明確裝備健康度的一種技術(shù)。

設(shè)備健康度評(píng)估技術(shù)存在以下幾點(diǎn)：

（1）不是主要分析裝備會(huì)發(fā)生什么故障，而是從總體上把握裝備性能的好壞程度

（2）不僅要定性了解設(shè)備當(dāng)前所處的健康度等級(jí)，而且要從定量的角度描述設(shè)備的健康程度大小。

2 健康度評(píng)估的量化

在工程實(shí)踐中，通常用定性的方法將設(shè)備的健康度劃分為若干等級(jí)，評(píng)估的結(jié)果多是定性的健康等級(jí)描述，如即健康、比較健錄、亞健康、輕微病態(tài)（輕微故障狀態(tài)）、病態(tài)（故障狀態(tài)）、嚴(yán)重病態(tài)（嚴(yán)重故障狀態(tài)）。一般的健康度評(píng)估實(shí)際就是將評(píng)估指標(biāo)經(jīng)過適當(dāng)?shù)奶幚?，把評(píng)估對(duì)像的健康度劃入相應(yīng)等級(jí)的一個(gè)過程。這樣得出的評(píng)估結(jié)果就是一個(gè)定性的描述，當(dāng)需要比較多個(gè)設(shè)備健康度好壞的時(shí)候，特別當(dāng)有多個(gè)設(shè)備處于同一種健康級(jí)別時(shí)，定性的評(píng)估結(jié)果就顯得無能為力了。因此，有必要將設(shè)備的健康度量化。一般將設(shè)備健康度的量化值稱為健康度。

3 健康度評(píng)估的一般流程

設(shè)備健康度評(píng)估流程一般包括準(zhǔn)備階段、評(píng)估實(shí)施階段、評(píng)估分析與反饋階段。

3.1 健康度評(píng)估準(zhǔn)備階段

3.1.1確定評(píng)估對(duì)象

要對(duì)設(shè)備進(jìn)行健康度評(píng)估，那么設(shè)備的健康度必須存在一個(gè)可鑒別的發(fā)展過程，那么設(shè)備的健康度必須存在一個(gè)可鑒別的發(fā)展過程，也就是說其狀態(tài)是逐漸劣化的。如果不具有潛在故障，如某些電子元器件、集成電路等發(fā)生功能故障之前沒有任何征兆，其狀態(tài)的變化無法鑒別出來，也就無法進(jìn)行健康度評(píng)估。

3.1.2劃分健康度等級(jí)

目前，關(guān)于健康度評(píng)估的研究主要集中在評(píng)估方法方面，而健康度等級(jí)如何合理劃分往往被忽視，為了評(píng)估結(jié)果表達(dá)的需要，幾乎每位研究人員都對(duì)各自對(duì)象的健康度等級(jí)提出了自己的分級(jí)觀點(diǎn)。由此出現(xiàn)了各種各樣的健康度分級(jí)方法。不規(guī)范的健康度分級(jí)不利于健康度評(píng)估在工程實(shí)踐的應(yīng)用。劃分設(shè)備的健康度等級(jí)是進(jìn)行評(píng)估的前提。規(guī)范的健康度等級(jí)劃分，既有利于設(shè)備健康度評(píng)估技術(shù)的推廣和應(yīng)用，也有利于實(shí)現(xiàn)設(shè)備的健康管理。

3.1.3 確定健康度指標(biāo)

要對(duì)設(shè)備進(jìn)行健康度評(píng)估，首先要確定可以直接表征其健康度的參數(shù)指標(biāo)，或可間接推理判斷裝備健康度所需要的參數(shù)信息，這是進(jìn)行健康度評(píng)估的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。確定裝備健康度指標(biāo)主要是從健康度的影響因素的角度來考慮，影響設(shè)備健康度的因素分為技術(shù)狀態(tài)因素和非技術(shù)狀態(tài)因素兩大類。

技術(shù)狀態(tài)是設(shè)備健康度的直接反映，如果設(shè)備出現(xiàn)故障，則相應(yīng)的技術(shù)性能就會(huì)偏離正常值。為反映設(shè)備的實(shí)時(shí)健康度，必須將這些能反映設(shè)備狀態(tài)的技術(shù)性能作為評(píng)估設(shè)備狀態(tài)的指標(biāo)，確定設(shè)備健康度評(píng)估的健康指標(biāo)成為重中之重。

3.1.4實(shí)施狀態(tài)監(jiān)測(cè)

確定了設(shè)備的健康度指標(biāo)后，需要通過相應(yīng)的狀態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)來獲取指標(biāo)數(shù)據(jù)。

3.1.5 數(shù)據(jù)預(yù)處理

由于不同的狀態(tài)監(jiān)測(cè)手段獲取的數(shù)據(jù)類型不同，健康度指標(biāo)既有定量的數(shù)據(jù)，也有定性的描述語言;不同的狀態(tài)測(cè)量值有不同的數(shù)量級(jí)和不同的測(cè)量單位;此外還有異常數(shù)據(jù)的干擾等。因此，為了使數(shù)據(jù)能夠滿足建模的要求，需要對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行各種預(yù)處理。數(shù)據(jù)處理方式和技術(shù)要根據(jù)不同的目的進(jìn)行選擇，通常的數(shù)據(jù)處理技術(shù)包括：異常數(shù)據(jù)的剔除、數(shù)據(jù)的規(guī)范化處理、定性指標(biāo)的量化等。

3.2健康度評(píng)估實(shí)施階段

在獲得表征設(shè)備健康度的信息后，如何根據(jù)這些信息來評(píng)估設(shè)備的健康度就成為關(guān)鍵的問題，設(shè)備的健康度是隨著設(shè)備工作時(shí)間的增加逐漸劣化的，如果不出現(xiàn)突發(fā)性故障，設(shè)備的健康度應(yīng)該是各態(tài)歷經(jīng)的，即按照“健康”->“中間狀態(tài)”->“不健康”的變化規(guī)律發(fā)展。

（1）確定設(shè)備當(dāng)前的健康度等級(jí)

目前，絕大部份研究主要回答的就是這個(gè)問題，即利用評(píng)估方法對(duì)設(shè)備的健康度進(jìn)行判定，確定設(shè)備的健康度等級(jí)。由于設(shè)備有限的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和運(yùn)行資料所提供的信息總是不完全的，再加上指標(biāo)的不確定性，可以使用模糊集理論進(jìn)行評(píng)估。

（2）計(jì)算設(shè)備的健康度

健康度是從定量的角度來描述設(shè)備健康度的程度，它比定性的健康度等級(jí)更加直觀地反映了設(shè)備的健康度。計(jì)算設(shè)備健康度的作用主要表現(xiàn)在：

對(duì)于單個(gè)設(shè)備而言，雖然設(shè)備的健康度在整個(gè)壽命周期內(nèi)是逐漸劣化的，但是在一定的時(shí)間段內(nèi)，定性評(píng)估得到的設(shè)備健康度會(huì)駐留在某一個(gè)等級(jí)不發(fā)生改變，難以反映設(shè)備健康度的真實(shí)變化情況。如果能夠?qū)】刀冗M(jìn)行量化，即便相鄰兩次評(píng)估得到的健康度等級(jí)相同，也可以通過健康度來比較它們的健康程度。

3.3 健康度評(píng)估分析和反饋階段

3.3.1分析健康度評(píng)估的結(jié)果

設(shè)備經(jīng)過健康度評(píng)估之后，得到的直接結(jié)果為當(dāng)前的設(shè)備健康度，如果評(píng)估的結(jié)果與實(shí)際情況差別較大，查找出現(xiàn)錯(cuò)誤的原因，對(duì)評(píng)估結(jié)果予以糾正。如有必要，重新評(píng)估設(shè)備的健康度，直到獲得滿意的結(jié)果為止。

3.3.2反映健康度的變化規(guī)律

對(duì)于實(shí)施健康度評(píng)估的設(shè)備來講，并不是只在某一個(gè)時(shí)刻才進(jìn)行評(píng)估，而是在其整個(gè)生命周期內(nèi)定期或不定期地時(shí)進(jìn)行多次評(píng)估，這樣就得到按照評(píng)估時(shí)間排列的多個(gè)健康度評(píng)估結(jié)果。為了從評(píng)估的結(jié)果中找尋規(guī)律，將每次評(píng)估結(jié)果以健康度檔案的方式予以保存。對(duì)定性的健康等級(jí)而言，歷次評(píng)估得到的健康等級(jí)粗略地反映了設(shè)備健康度的變化規(guī)律;對(duì)定量的健康度而言，歷次評(píng)估得到的健康度可以形成一條健康度曲線，更加真實(shí)地反映了設(shè)備健康度的變化規(guī)律。

3.3.3提供使用或維修決策建議

健康度評(píng)估的最終目的是為了給設(shè)備的維修策略和使用任務(wù)計(jì)劃提供決策依據(jù)，從而實(shí)施最佳的維修方式和合理安排設(shè)備的使用。維修管理人員可以根據(jù)健康度評(píng)估結(jié)果來安排維修計(jì)劃。對(duì)于評(píng)估結(jié)果為“健康”的設(shè)備，維睡時(shí)可不作為重點(diǎn);對(duì)于評(píng)估結(jié)果處于下降趨勢(shì)或評(píng)估值低的設(shè)備必須列為維修重點(diǎn)。設(shè)備使用人員可根據(jù)健康度評(píng)估結(jié)果，按照健康度等級(jí)描述中對(duì)應(yīng)的設(shè)備使用建議，結(jié)合任務(wù)的類型、預(yù)期的負(fù)載、使用時(shí)間等要求，合理安排設(shè)備的使用計(jì)劃，確保設(shè)備能夠成功地完成任務(wù)。

總之，評(píng)估準(zhǔn)備工作是基礎(chǔ)，具體的評(píng)估是關(guān)鍵，得到的評(píng)估結(jié)果是目標(biāo)。

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（1.江蘇安防科技有限公司，江蘇 南京 211800;2.南京國(guó)電南自軌道交通工程有限公司，江蘇 南京 211800）